内燃机代用燃料的发展分析

lixuanwei1986

任何国家的经济发展都与能源问题密切相关 而内燃机对燃料的需求 在能源总消耗中
占很大比例 当前内燃机主要用石油作为燃料 一般工业发达国家消耗在内燃机上的燃料约占
整个石油消耗量的 60%左右 未来石油燃料的产量终将日趋减少 许多世界能源机构及权威
人士认为 现已查明易开采的石油可维持50年左右 1990年左右世界石油产量达到过一个高
峰 而后逐步下降 本世纪将出现石油短缺的现象 到2030年液体燃料中的40%左右要由煤
的合成燃料来满足 因此 为保证未来交通运输以及国民经济的持续发展 研究与开发代用燃
料是势在必行  
1  代用燃料
1.1  代用燃料的定义
代用燃料指的是传统发动机燃料(如汽油和柴油)的替代品 美国能源政策法规 将代用
燃料定义为甲醇 非自然乙醇 其它酒精燃料或至少 85%的这些燃料与汽油或柴油的混合燃
料 CNG LNG LPG 氢气 煤炭衍生物的液体燃料以及生物质能源等  
1.2  代用燃料的分类
内燃机燃料是经过一系列演变发展过程的 早在1892年R×狄赛尔就曾试图以煤粉作为柴
油机的燃料 但未成功 长期以来 内燃机是以液体的碳氢化合物系燃料为主的 当燃料中C
含量减少 H 含量增加时 燃料为轻质的 并演变为气体燃料 反之 当 C 含量增加 H 含
量减少 就成为重质燃料  
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未来内燃机燃料将向两极演变 即氢气和煤炭以及由煤炭派生出来的燃料 后者将主要
是醇类燃料及人工合成的汽油等 在这种演变过程中 各种混合 乳化燃料 生物能类燃料及
宽馏分燃料将在内燃机中得到不同程度的应用 由于代用燃料刚处于研究发展阶段 还难以提
出完善的分类 从代用燃料的广泛含义来说 应包括  
(1) 品质更低劣的传统石油燃料 如过去一般不使用的劣质重油 残渣油  
(2) 使用形式变化了的燃料 如各种掺水的乳化燃料 固体粉末和液体混合的燃料  
(3) 人工模拟燃料 如将石油气和空气混合模拟成天然气使用  
(4) 人工合成燃料 将两种以上元素或生产企业的副产品人工合成可燃的燃料  
从狭义的代用燃料来说 除了传统的柴油 汽油及上述几种形式的燃料以外 对目前使
用和研究的代用燃料分类如表1  
表 1   内燃机代用燃料一览表
Table 1   Substitutive fuels for internal combustion engines
气   态  液   态    固   态
氢气 沼气  醇类 甲醇 乙醇等
液化石油气 LPG  
液化天然气 LNG
植物油 桉树油 菜油 花生
油 蓖麻油等
动物油 鱼油等
发生炉煤气等
其它化工副产品的可燃液体
煤粉及煤 油浆等

1.3  代用燃料使用的标准
良好的代用燃料应能满足下列要求  
(1) 资源丰富 价格适宜  
(2) 燃料的热值 尤其是混合气热值能满足内燃机动力性能的要求  
(3) 能满足车辆起动性能 行驶性能以及加速性能等方面的要求  
(4) 能量密度较高 储存运输方便  
(5) 发动机的结构变动较小 技术上可行  
(6) 现有的燃料储运分配系统能用得上  
(7) 对人类健康 环境保护以及安全防火等无有害的影响  
(8) 对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响  
一种代用燃料要全面良好地满足上述要求是困难的 但应满足主要要求 并在采取技术
措施的情况下 能满足各方面的要求  
1.4  代用燃料的选择
在选择代用燃料时要考虑可供生产代用燃料的国家资源情况 工业发展水平 生产代用
燃料的技术及效益 热机的适应性及发展趋势 环境保护等 而交通运输车辆需要大量品质较
优的燃料 应优先考虑 热机与燃料是密切相关的 燃料的范围在扩大 热机的技术在发展
而它们之间必须协调 才能获得最大的综合效益  
生产醇类燃料的资源丰富 尤其甲醇可从我国储藏量很大的煤炭及天然气中提炼 生产
工艺成熟 近几年的研究及应用表明 在内燃机中使用醇燃料 可以获得良好的动力性 燃油
经济性及排放特性等  
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氢气虽然是良好的 清洁的内燃机燃料 但一些生产技术问题 如生产工艺 成本及储
存运输等 在短时间内难以得到完善的解决 而且生产氢需要消耗较多的电能 近期还不可能
大规模研究开发  
我国地大物博 各地资源及生产发展不平衡 有些地区的植物 野生植物等生物资源丰
富 有待开发 世界上一些谷物有过剩的国家 生产和推广乙醇也是适宜的[1]
我国利用人畜
粪便 植物茎杆及垃圾制造沼气的地区相当广泛 技术水平也较高  
热机的技术在不断发展 往复式内燃机在今后相当长时期内 仍将获得广泛应用 在传
统的往复式内燃机基础上发展起来的双燃料发动机 气体燃料发动机 在我国及世界上一些国
家都取得了新的研究成果及应用 能够适应往复式内燃机的燃料更多  
其它热机如旋转活塞发动机 斯特林发动机及燃气轮机等各有特点 有的热机还可以使
用固体燃料 都有一定的潜力 将在一定的范围内得到应用 但是否能替代往复式内燃机 则
还不能作出结论  
至于电动车辆 利用电池或燃料电池推进 没有热机高温燃烧时的能量损失及排放问题
是较理想的动力系统 但是一些技术问题如每单位功率的外型尺寸及重量 最大行驶速度及距
离等都还未突破 要达到广泛推广应用价值 还要经历较长期的研究工作  
不同的热机将对燃料有不同的要求 推广一种新的代用燃料 也要求热机作必要的变动
由于挖掘生产燃料的潜力 燃料的品质将要下降 燃料的品质与热机对燃料的要求往往有矛盾
在选择代用燃料时 开展协调燃料与热机相互之间要求的研究工作 制定合理的燃料规范及改
进热机的措施是很必要的 以便充分发挥燃料的作用和提高热机的性能  
2  代用燃料的发展历史与应用研究概况
2.1  代用燃料在国内的发展与研究
我国是世界上研究和应用生物质燃料较早的国家之一 唐朝时期就用酒精(乙醇)照明及
烹饪[1]
20世纪40年代中期将酒精 发生炉煤气以及由桐油热裂成的燃油用于车用发动机上
并对菜籽油 大豆油及松根油等进行实验研究 长期以来对沼气的研究与应用进行得广泛而深
入 全国都设立了沼气应用技术推广站 目前有一些地区不仅将沼气当作生活燃料 而且也用
于内燃机  
自70年代末起 山西 四川 吉林及北京等省市对汽油甲醇混合燃料进行了初步实验研
究 原国家科委在 六五 期间组织了M10~M15的台架实验及车队使用实验研究 参加的单
位有交通部公路研究所 北京汽车研究所 长春汽车研究所 吉林工业大学 华中理工大学
中国科学院工程热物理研究所和环境化学研究所 石油科学研究院 北京医科大学以及山西交
通科学研究所等 除了对甲醇 汽油混合燃料进行实验研究外 中国科学院工程热物理所和华
中理工大学还分别对汽油机燃用100%的甲醇及在柴油机中掺烧甲醇进行了实验研究 与此同
时 原国家科委组织了从煤中提炼甲醇等工艺技术的研究  
天津大学 浙江大学 西安交通大学及山东工业大学等对在汽油机及柴油机中燃用甲醇
进行了很多实验研究工作 浙江大学还对氢气 液化石油气及煤粉浆进行过研究 贵阳山地农
机研究所 上海内燃机研究所 上海交通大学及南京野生植物研究所等单位对可食用植物油及
野生植物油在内燃机中的应用也进行了很多工作[2]
解放军后勤工程学院军事油料应用教研室
许世海等人以菜籽油为原料 与甲醇发生酯交换反应制备生物柴油 找到了合适的醇油比 得
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到的产品的主要理化指标达到 0#柴油的使用标准[3]
原国家科委组织的攻关项目 上述各单
位以及国内其它有关单位的台架实验 环境保护等研究工作 都取得了很多有价值的成果 为
我国内燃机代用燃料的研究和应用打下了良好的基础 显示了广阔的前景  
2.2  代用燃料在国外的发展与研究
早在20世纪初 柴油机的发明人R×狄赛尔就已经在柴油机中用花生油当燃料做过实验
二次世界大战期间 中国 印度及日本都将桐油 松根油及可食用的植物油等进行改质后在
内燃机中燃用 或与石油燃料混合使用 德国也将约 7 万 t 的甲醇当作战车发动机燃料使用
20 世纪 60 年代为了内燃机排气的净化 一些国家对低污染的醇燃料及氢气等发生兴趣 开
始进行研究 而1973年石油危机以后 进一步认识到研究代用燃料的重要性 开展了对醇燃
料 氢气及生物质燃料等的广泛研究 投入大量研究经费 例如联邦德国为在1979年~1982年
期间的公路交通运输代用能源重点科研项目拨款1.35亿马克 其中65%用于醇燃料 25%用于
氢技术 10%用于电力牵引 美国前总统卡特在三年内拨款1 100万美元研究甲醇燃料  
联邦德国在1979年~1983 年期间投入将近 1 200辆汽车进行M3(指在汽油中加入 3%容积
比的甲醇 余类推) M5 M15 及 M100 的实验研究 全国已有 30 个以上的加油站供应 M3
甲醇/汽油混合燃料  
美国的许多大学 企业及研究单位开展了对醇燃料的实验研究工作 1979年加里福尼亚洲
政府及私营企业共拨款3 400万美元研究醇燃料 先后投入600辆汽车 在汽油机上使用100%
甲醇作实验 已建立了17个甲醇加油站 并在锅炉及燃气透平上进行使用甲醇的实验研究  
美国已将在汽油中加入 10%容积比乙醇的汽醇燃料 E10 作为商品出售 并已制定了 E10
燃料的规范 为了鼓励人们使用E10 许多州对它免征燃料税  
瑞典是较早确定研究开发甲醇燃料的国家 成立了甲醇燃料开发公司 1980 年投入了近
1
000 辆进行使用 M15 燃料的实验研究 有 19个加油站供应甲醇及甲醇汽油混合燃料 以后
又在大型货车及公共汽车上进行 M100 的实验研究 1976 年在瑞典召开了第一界国际醇燃料
技术讨论会 以后世界上又相继召开此会议[4]

巴西所需的石油大部分要依靠进口 而它的陆地面积在世界上占第五位 甘蔗产量高
根据上述特点制定了有名的酒精(乙醇)燃料发展计划 既利用糖厂同时生产酒精 又建立了新
酒精厂 1980年生产了34亿l酒精 1984年建成了300个酒精厂 并研究用木柴纤维及植物
茎杆经过酸腐蚀 水解生产酒精 到 1985 年酒精产量预计达到 107 亿 l 在大部分城市都有
在汽油中加 10%~20%酒精的混合燃料出售 巴西还与联邦德国汽车公司合作 研究和生产了
纯酒精发动机汽车 90%的汽车燃用乙醇 在拖拉机上也已开始应用乙醇及植物油  
其它国家如前苏联 罗马尼亚 日本 加拿大 新西兰 印度等许多国家也都进行了醇
燃料及其它代用燃料的研究和应用工作 20世纪70年代以后很多国家更加重视对生物质能的
研究与开发 能提供生物燃料的植物品种很多 其中有些具有较高的经济价值 研究开发生物
质能 不仅可以扩充燃料来源 而且可以绿化环境 改善生态平衡 使农民富裕起来 巴西
奥地利 新西兰 日本 印度及美国等许多国家都在不同程度上开展了对生物质能的研究 涉
及的范围较广 除对现有植物油 乙醇以及一些动物油脂进行实验和应用外 还对野生植物油
及可直接生产碳氢化合物液体燃料的能源植物进行研究 建立能源林场 研究品种优良 速长
高产的能源植物 此外 还将生物质油类提炼成单脂类 作为内燃机的燃料进行实验研究  
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3  对国内外内燃机代用燃料研究及发展动态的总结
(1)  由于醇燃料的理化性质与汽油较为接近 各国首先在汽油机中掺烧部分醇 而后又
研究使用M100的汽油机 但由于柴油机用途广泛 热效率高 接着在柴油机上也开展了广泛
的实验研究工作 生物质燃料与农业关系密切 在柴油机中使用生物燃料的也较多  
(2)  由于代用燃料的理化性质与石油燃料的性质存在着不同程度的差异 一般不能利用
现有供油设备直接燃用 长期以来较多的实验研究工作是寻求较佳的供油和掺烧方案 由于尚
无统一的实验规范标准及长期使用经验 还难以肯定哪一种掺烧方式最佳  
(3)  一些掺烧方式装置已由初期不完善改进为较完善的型式 并可较佳地调节控制代用
燃料的掺烧比例 除了研究内燃机使用代用燃料后动力性 燃油经济性 车辆驱动性能以及起
动性能外 还开展研究排放特性及新的有害排放物  
(4) 目前在内燃机中掺烧大比例代用燃料及100%的代用燃料时 还要研究材料相容性
排放及起动问题  
(5)  探索代用燃料燃烧的特点 并逐步形成其特有的燃烧理论 这方面的工作开始时间
不是很长 目前燃烧过程中的一些现象 如在柴油机中掺烧较多的醇 低负荷时热效率低 高
负荷时易敲缸 代用燃料的雾化 汽化 混合气形成及着火的特点 稀混合气的燃烧以及腐蚀
磨损机理等均需要研究  
(6) 研究新的生产工艺 提高代用燃料产量 降低成本  
4  结束语
世界的石油资源终将日趋减少 石油燃料的短缺现象也必然会出现 而且会日益严重
研究与应用代用燃料是大势所趋 目前 内燃机代用燃料的研究还处于初始阶段 预计不久的
将来 内燃机代用燃料将会有更大和更快的发展  
参考文献:
[1]  张永光.  乙醇作为车用燃料的可行性及发展趋势[J].  石油商技, 2001, 19(5): 16-19.
[2]  黄志杰.  中国能源概论[M].  北京:  能源出版社, 1982.
[3]  崔心存.  内燃机的代用燃料[M].  北京:  机械工业出版社, 1990.
[4]  雷  猛.  菜籽油制备生物柴油及理化指标的研究[D].  重庆:  解放军后勤工程学院, 2003, 5-10
Development of substitutive fuels for internal combustion engines
JING heng   CHENG li-gong  ZHU hai-jun   
(Department of Oil Applied Engineering, LEU, Chongqing 400016, China)
Abstract:    The definition, classification, selection and  standards of utilization of  substitutive fuels
for internal combustion engines were presented and explained in this paper. The development and
status quo of application of the  substitutive fuels in China and overseas were reviewed and
summarized. It is concluded that the substitutive fuel is one o f the most  important fields of energy
research and utilization in the future due to increasingly shortfall of oil resources.
Key words:    internal combustion engine; substitutive fuel; development; shortage
万方数据